機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其性能分析

李順治 齊鵬 王凱

摘 要：機(jī)械手臂應(yīng)用到機(jī)器人工業(yè)化操作中，具有工作空間大，靈活性好等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)，由于機(jī)械手臂的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)功率、能耗等范疇也存在一些問(wèn)題。在這種結(jié)構(gòu)模式下，關(guān)節(jié)處成為機(jī)器人末端負(fù)載的主要承受點(diǎn)。在操作過(guò)程中，機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)功率、能耗方面也會(huì)有增加。對(duì)此，本文從機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能的角度進(jìn)行分析，分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)能耗分析、剛度特性分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手臂 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 性能分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）11（a）-0-03

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人在關(guān)節(jié)內(nèi)減速器、齒隙等方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在問(wèn)題，容易導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人在工作中存在傳動(dòng)的誤差。本文從具有機(jī)械臂的機(jī)器人系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了采用平行四邊形框架對(duì)角推缸驅(qū)動(dòng)的形式，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從圖1可以看出，回轉(zhuǎn)單元、大臂、小臂、腕部等、這些都是機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)是機(jī)器人機(jī)械臂及腕部的功能，運(yùn)動(dòng)可以呈現(xiàn)兩個(gè)維度——水平與垂直的自由運(yùn)動(dòng)。此外，機(jī)器人腕部可以操作俯仰及擺動(dòng)等動(dòng)作。本文研究的機(jī)械手臂與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手臂在結(jié)構(gòu)形式上有所不同，如圖1所示的機(jī)械手臂均采用的是平行四邊形框架對(duì)角線(xiàn)電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)形式，具體操作是經(jīng)離合器驅(qū)動(dòng)絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠經(jīng)絲母通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人的基座部分提供了一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)與蝸桿成為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力，分布在蝸輪兩側(cè)，蝸輪在回轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下，機(jī)器人立柱實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)。本文所研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)械手臂采用的是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，能夠通過(guò)蝸輪蝸桿大傳動(dòng)來(lái)代替減速器的功能，如圖2所示。

基于差動(dòng)原理，機(jī)器人腕部得以設(shè)計(jì)完成，借助U型支撐件來(lái)實(shí)現(xiàn)，錐齒輪及擺軸是差動(dòng)輸出部分，借助俯仰軸和擺軸，從2個(gè)自由度對(duì)兩側(cè)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而且，通過(guò)消隙控制，腕部完成無(wú)間隙傳動(dòng)，確保傳動(dòng)部件在封閉空間內(nèi)進(jìn)行傳動(dòng)，如圖3所示。

此外，基于工業(yè)應(yīng)用需要，工業(yè)機(jī)器人還進(jìn)行了防護(hù)設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在機(jī)械手臂關(guān)節(jié)上，具體來(lái)看，是通過(guò)密封圈密封的方式，保護(hù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的大臂、小臂等桿件間部分，從而確?；剞D(zhuǎn)關(guān)節(jié)內(nèi)部軸承的防護(hù)。

2 驅(qū)動(dòng)能耗分析

2.1 機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)功率及能耗模型

根據(jù)前文中對(duì)機(jī)器人機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)定小臂運(yùn)動(dòng)角度范圍為θ1∈[0，70]，大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)夾角為θ3∈[0，70]，設(shè)定機(jī)器人的水平距離達(dá)到3460mm，如圖4所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)功率比較分析

本文研究設(shè)計(jì)的四自由度重載型工業(yè)機(jī)器人，主要用于搬運(yùn)、碼垛等工作事項(xiàng)。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的比較中，主要是針對(duì)機(jī)械臂與臂長(zhǎng)l1=l2=1500mm與等效二連桿機(jī)械臂進(jìn)行比較，計(jì)算出功率結(jié)果。得出機(jī)器人機(jī)械手臂大臂長(zhǎng)度為1400mm，運(yùn)動(dòng)范圍為-130°～17.5°；小臂等效長(zhǎng)度為1572mm，運(yùn)動(dòng)范圍為-110°～145°。

通過(guò)計(jì)算得出，本文研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)械手臂的大臂功率降低范圍約為20%～80%，而小臂的驅(qū)動(dòng)功率與二連桿的機(jī)械臂是相當(dāng)?shù)摹?/p>

3 剛度特性分析

3.1 電動(dòng)缸剛度優(yōu)化

機(jī)械手臂的剛度優(yōu)化主要是由機(jī)械臂桿件和電動(dòng)缸的剛度來(lái)決定的。對(duì)此，本文從對(duì)電動(dòng)缸度優(yōu)化的基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)機(jī)器人剛度特性進(jìn)行分析。

3.2 剛度建模

3.3 剛度計(jì)算

對(duì)機(jī)器人的機(jī)械手臂桿件進(jìn)行有限元計(jì)算分析，主要判斷桿件的等效抗拉剛度及抗彎剛度，得出具體的數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)計(jì)算比較，機(jī)器人機(jī)械手臂的腕部結(jié)構(gòu)等效為剛體處理，導(dǎo)致剛度數(shù)值的計(jì)算結(jié)果要略大于有限元的計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)分析，第一，機(jī)械臂俯仰達(dá)到了一定的角度，電動(dòng)缸容易與框架發(fā)生沖突，因此限制了機(jī)械手臂的俯仰角度；第二，與工業(yè)機(jī)器人的尺寸與四自由度相比，本文研究的機(jī)械手臂工作空間相近，可是綜合剛度更理想，而且也能夠充分提升機(jī)械手臂的搬運(yùn)、碼垛能力。

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